JP2020536449A - リモート無線ヘッド、ビームフォーミング方法およびプログラム - Google Patents

リモート無線ヘッド、ビームフォーミング方法およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】スペクトル効率とシステム性能の向上に貢献するリモートラジオヘッド（RRH：Remote Radio Head）の提供。【解決手段】RRHは無線通信システムにおいて複数のアンテナを有する。RRHは少なくとも一つのユーザ端末に対して複数のアナログビームを生成する。RRHはパラメータ計算器と、メトリック計算器と、ビームフォーミング部とを含む。パラメータ計算器は、各々の空間方向にスキャンされない期間を含んだ少なくとも一のパラメータを算出する。メトリック計算器は各々の空間方向に対して算出されたパラメータに基づいて少なくとも一のメトリックを算出する。ビームフォーマは、算出されたメトリックによる空間方向に向けてアナログビームを生成する。【選択図】図６

Description

本発明は、リモート無線ヘッド（RRH：Remote Radio Head）、ビームフォーミング方法およびプログラムを格納した記憶媒体に関し、特にＲＲＨ、ビームフォーミング方法および、ビームフォーミングとビーム配置のためのプログラムに関する。
モバイルブロードバンドの爆発的な利用の成長は、様々な新しい用途やアップリンクおよびダウンリンクの両方においてデータの流通規模の指数関数的な増加をもたらしている。また最近では、ユーザ端末（User Terminals：UTs）は一つの基地局（Base Transceiver Station: BTS）の通信範囲内に概して一様に分布していないものとみられている。このことは、一つのセルの占有する領域が、単一の広いビームによりすべての方向に等しく完全にカバーするといった伝統的な見方を破るものである。このことは、効果的かつ適応的に、方位角面（azimuth plane）および仰角面(elevation plane)の両方においてユーザの密度分布（user density distribution）に合わせるように、アップリンクおよびダウンリンクの両方でカバレッジ(coverage)を最適化する重要性の実現をモバイルネットワークオペレータ(mobile network operator)に促す。このため、現在のモバイル通信システムおよび将来のモバイル通信システムにとって、無線カバレッジエリア(radio coverage area)を最適化することは、スペクトル効率(spectral efficiency)およびシステム性能を向上するための鍵となる。
基地局（BTS）およびユーザ端末（UT）の両方において複数のアンテナを配備することに基づく、一つの可能性のあるアプローチは、非特許文献１に記述されているThird Generation Partnership Project (3GPP）Long-Term Evolution (LTE）のような標準に既に採用されている。複数のアンテナのシステムは、アップリンクおよびダウンリンクにおいてMulti-Input Multi-Output (MIMO）通信を可能とし、よって、このことがスペクトル効率を増加し、システム性能を向上する。
さらに、大規模なアレイアクティブアンテナMIMOアーキテクチャとともに、三次元のデジタルビームフォーミングを適用することにより、ユーザの密度分布の変化に関してカバレッジを適応的に調整することが可能である。しかし、そのようなアーキテクチャは、基地局内のRadio Frequency(RF）回路が多数となるため、非常に重い信号処理を必要とし、典型的には、ハードウェアとソフトウェアの複雑度が桁違い（by ten-folds）に増加する。さらに、そのようなアーキテクチャは、デジタルビームフォーミングとユーザスケジューリング（特許文献１参照）の間で精緻な連携が必要とされ、特段に高い連携のオーバヘッドにつながる。さらに、そのようなアーキテクチャは、現行の高速モバイル通信の標準やハードウェア仕様に準拠しないであろう。
最近、方位角面と仰角面の両方におけるユーザの密度分布に合わせたカバレッジを適応的に調整するといった文献にて新たなアプローチが提案されている。このアプローチは、フェーズドアレイアンテナをリモート無線ヘッド内のそれぞれのＲＦ回路に統合し、その上でユーザの密度分布が相対的に高い空間方向にアナログビームを生成するために位相シフト（phase-shifting:移相）ネットワークに適切な重み付けを適用する。このようなアーキテクチャは、無線およびモバイル通信の文献においてはハイブリッドアナログ−デジタルビームフォーミングアーキテクチャと呼ばれている。
ハイブリッドアナログ−デジタルビームフォーミングアーキテクチャは、２つのレベルのビームフォーミングを適用している。リモート無線ヘッド内のフェーズドアレイアンテナによる粗いレベル(course level)のアナログビームフォーミングと、ベースバンドユニット（Base Band Unit: BBU）内でベースバンド処理を用いた微細なレベル（fine level）のデジタルビームフォーミングとである。ベースバンドユニットからのチャンネルステート情報（Channel State Information: CSI）を用いてアナログビームフォーミングとデジタルビームフォーミングとの共同最適化に基づく方法は広く文献において検討されている。しかし、このような方法は、ベースバンドユニットとリモート無線ヘッドとの機能間で緊密な統合が必要とされており、現行のベースバンドユニットのハードウェアでは実行可能ではない。
このようなリモート無線ヘッドとベースバンドユニットとの機能の緊密な統合を回避するには、リモート無線ヘッド内のアナログビームフォーミングを、ユーザ端末からのフィードバックを用いて調整することができる。しかしながら、それは現行の高速移動通信の標準と矛盾する。
これらの問題を克服するために、リモート無線ヘッドは、ユーザの密度分布を見積もるために、可能性のある全ての空間方向を掃引（sweep）し、および完全な（すべての）カバレッジエリアを走査（scan）したりして、指向性を有する送信／受信を実行する。そのような一つの方法は、非特許文献２に記載されているような階層的探索に基づくものである。該階層的探索では、リモート無線ヘッドは、最初に、幅広のビームを用いて信号を送信／受信し、前段階に判明した可能性のある空間方向へのビーム幅の精選が反復的に行われ、ビームが最大カバレッジをカバーするまで繰り返される。階層性に基づいた探索方法は、カバレッジエリア内でのより速いユーザ密度分布の発見を提供する。
しかしながら、アナログビームフォーミングのビームが幅広であるため、初期の段階では、アナログビームフォーミングの利得がごく低く、結果として、階層性に基づいた探索方法による通信性能は、セルを発見しにくいため相対的に悪くなる。さらに、高電力のサイドローブのため、システムは、最初の段階では、不正確なビームを選択しがちである。そのような場合、次の段階で許容できるほどの信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio : SNR）でアナログビームフォーミングを提供することはできない。
これを回避するために、無線および移動通信の文献においては、包括的探索のような方法が採用されている。包括的探索では、リモート無線ヘッドは、全ての空間方向において等幅の、ビーム幅の狭いビームを送信／受信する。包括的探索は、全ての空間方向において最大のカバレッジを達成し、相対的に実装が簡単である。
米国特許第９４８５７７０号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００２１６５０号明細書
3GPP, "TS 36.213 v11.8.0: E-UTRA physical layer procedures (Release 11)," 3GPP, September 2014 V. Desai, L. Krzymien, P. Sartori, W. Xiao, A. Soong and A. Alkhateeb, "Initial beamforming for mmWave communications" Signals, Systems and Computers, 2014 48th Asilomar Conference on, Pacific Grove, CA, November 2014
このような背景によると、方位角面および／または仰角面におけるユーザの密度分布に合わせてカバレッジエリアを適応的に調整する手法は、狭小かつ指向性のあるアナログビームフォーミングによりすべてのカバレッジエリアを漏れなく走査（scan）する必要がある。ここで、リモート無線ヘッドは、狭小かつ指向性のあるビームを送信／受信して、カバレッジエリアのユーザの密度分布を推定するために、すべての可能性のある空間方向を掃引する。そのような手法は、全ての空間方向を走査するには、相当な時間が必要であり、さらに、この時間は、カバレッジエリア内の走査方向の数が増えるにつれて、線形的に増加する。
しかしながら、現実的なシナリオとしては、ユーザはホットスポットのユーザ分布のように、一般的には、長時間にわたって、ある特定の空間領域に分布している。このため、毎度、全ての空間方向を走査することは必要でないかもしれない。これは、全ての空間方向を走査が、通信のために、有用性の低い空間方向を走査する期間中の比較的より低い受信／送信の電力のため、システム性能に深刻な劣化をもたらし、従って、有用な空間方向において、極めて効果の低い通信期間(much lower effective communication duration)という結果をもたらすためである。
本開示の目的の一つは、システム性能とスペクトル効率を向上するのに貢献するリモート無線ヘッドを提供することにある。
第一の視点によれば、少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドであって、各々の空間方向に対して走査されない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出するパラメータ計算部（parameter Calculator）と、各々の空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出するメトリック計算器（metric calculator）と、算出された前記メトリックによる空間方向に向かってアナログビームを生成するビームフォーミング部（beam former）と、を有するリモート無線ヘッドが提供される。
第二の視点によれば、少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドにおいて実行されるビームフォーミング方法であって、各々の空間方向に対して走査されない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出するステップと、各々の空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出するステップと、算出された前記メトリックによる空間方向に向かってアナログビームを生成するステップと、からなるビームフォーミング方法が提供される。
第三の視点によれば、少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドに埋め込まれた計算機により実行されるプログラムを格納している記憶媒体であって、各々の空間方向に対して走査されない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出する処理と、各々の空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出する処理と、算出された前記メトリックによる空間方向に向かってアナログビームを生成する処理と、を前記計算機に実行させる前記プログラムを格納している記憶媒体が提供される。なお、このプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記録することができる。記憶媒体は、半導体メモリ、ハードディスク、磁気記録媒体、光記録媒体等の非トランジェント（non-transient）なものとすることができる。本発明は、コンピュータプログラム製品として具現することも可能である。
本開示によれば、スペクトル効率およびシステム性能の向上に貢献するリモート無線ヘッド（ＲＲＨ）が提供される。
図１は、一実施形態の概要を示す。 図２は、複数のユーザ端末と基地局とを含む移動通信システムの一例を示す。 図３は、リモート無線ヘッドとベースバンドユニットとを含む基地局のブロック図の一例を示す。 図４は、基地局における一般的なリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図５は、移動通信システムにおける従来のリモート無線ヘッドを用いたセクターカバレッジのブロック図の一例を示す。 図６は、基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図７は、時分割複信システムにおけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図８は、周波数分割複信システムにおけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図９は、時分割複信システムにおけるフレームのブロック図の一例を示す。 図１０は、リモート無線ヘッド内のＲＦチェーンのブロック図の一例を示す。 図１１は、第１の実施形態による、基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１２は、第１の実施形態によるリモート無線ヘッドの処理を示すフローチャートである。 図１３は、第２の実施形態による、基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１４は、第２の実施形態によるリモート無線ヘッドの処理を示すフローチャートである。 図１５は、第１の実施形態について、一つの変更による基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１６は、第２の実施形態について、一つの変更による基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１７は、第１の実施形態について、もう一つの変更による基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１８は、第２の実施形態について、もう一つの変更による基地局におけるリモート無線ヘッドのブロック図の一例を示す。 図１９は、リモート無線ヘッドのハードウェア構成を示すブロック図の一例を示す。
初めに、図１を参照して一実施例の概要が示される。下記の概要において、便宜上参照符号により種々の構成要素が示される。すなわち、下記の参照符号は単に本発明の理解を助けるための例として使用される。従って、本開示は下記概要の記載に限定されない。さらに各図におけるブロック間を結ぶ線は双方向と片方向の両者が含まれる。一方向の矢印は、主たる信号（データ）の流れを概略的に示すものであり、双方向性を排除するものでない。さらに、この文書では、“および／または”は、この表現の前と後の要素のうちの少なくとも一つを示すものである。例えば、“項目１および／または項目２”は“項目１および項目２のうちの少なくとも一つ”を示す。
リモート無線ヘッド１１は、少なくとも一つのユーザ端末に対して提供する複数のアナログビームを生成する無線通信システムにおいて複数のアンテナを有する。リモート無線ヘッド１１は、パラメータ計算器(parameter calculator)１０１と、メトリック計算器(metric calculator)１０２と、そしてビーム成形器（beam former）１０３とを含む。パラメータ計算器１０１は各々の空間方向のために走査されない期間が含まれる少なくとも一つのパラメータを算出する。メトリック計算器１０２は、各々の前記空間方向のために算出されたパラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出する。ビーム成形器１０３は、算出されたメトリックに照らして空間方向に向けて、アナログビームを生成する。このＲＦチェーンはアナログおよびデジタル信号を変調又は復調するための回路が階層的に接続されている一つの回路モジュールである。
リモート無線ヘッド１１は、スペクトル効率とシステム性能を著しく向上させることができる。これは、相対的により長い期間の通信のためにあまり有用でない空間方向を走査することを回避し、もし走査されない期間が比較的大きくなれば、適応的にこれらの空間方向を優先させることにより、有効な通信期間（effective communication duration）を改善させているためである。これは、新しく現れたユーザを見落とすのを回避するためである。さらに、リモート無線ヘッド１１は、現在の高速移動通信規格（標準）とハードウェアの機能性とに完全に対応している。複数のアンテナと、互いに通信が可能な少なくとも一つのユーザ端末とを採用するリモート無線ヘッド１１を含む移動通信システムにおいて、リモート無線ヘッド１１は、通信期間を最大化し、システムのスループットとサービスの質を向上するために、ユーザの密度分布に合わせたアナログビームフォーミングを適応的に配置する。
＜実施形態＞
本開示とその利点については下記の記述によりさらに理解することができる。下記では本開示の実施形態は図面を参照することにより説明される。本開示を説明するために、移動通信システムへの適用を想定することにより実施形態が構築されている。移動通信システムを想定するのは、説明を簡素化するためだけの理由による。実際には、本開示は、当業者により指向性のある送信／受信を使用するいかなる無線通信システムに適用することができる。
まず初めに、本開示を説明するために共通に用いられている無線通信システムとユーザ端末とは図２から図１０を参照しながら詳細に説明されている。
図２は基地局（Base Transceiver Station：BTS）１とユーザ端末（User Terminals: UTs）２を含む移動通信システムのブロック図の一例を示している。単一のアンテナ２１を付しているユーザ端末２を使用しているのは単に説明を目的とするためのみであり、本開示は、当業者により、いかなる数のアンテナをユーザ端末２に対して付属させたシステムにも適用が可能である。全てのユーザ端末２は基地局の電波がカバーする領域３に位置しており、アップリンクおよびダウンリンクの両方向において基地局と通信することができる。
図３は、基地局１のブロック図の一例を示している。図３によると、基地局１は、リモート無線ヘッド１１と、ベースバンドユニット１３とを含む。リモート無線ヘッド１１とベースバンドユニット１３とは、同じ場所または別の場所に配備されうる。そして両者は図３に示すように双方向の無線インタフェースバス１２により相互に接続されている。
図４は、アナログビームフォーミングに対応していない一般的なリモート無線ヘッド１１のブロック図の一例であり、そのリモート無線ヘッド１１は、基地局１のＲＦ機能を主に実現している。図４を参照するとリモート無線ヘッド１１は、アンテナ１１１と、ＲＦフロントエンド１１３と、ＲＦチェーン１１４と、デジタルインタフェース１１５とを含む。Ｌ ＲＦチェーン１１４とＬ ＲＦフロントエンド１１３は、リモート無線ヘッド１１に含まれる（Ｌは、リモート無線ヘッド１１内に存在するＲＦチェーンとＲＦフロントエンドの数である）。
図４に示すリモート無線ヘッド１１は、方位角面および仰角面においてセル固有（cell-specific）のセルフットプリント（cell footprint）をカバーする単一の幅広ビームにより、無指向性（Omini-directional）のあるいはセクタ化された（sectored）送信／受信を実行する。より詳細には、図５に示すように、ユーザ固有、および／またはセル固有のビームフォーミングを適用することなく、完全なセクタ領域、または全ての方向に対して均一にセルカバレッジをカバーする単一の幅広ビームを使用することにより、異なる複数のユーザ端末２への基地局１からのダウンリンクの信号の送信、および、異なる複数のユーザ端末２から基地局１へのアップリンクの信号の受信が行われている。
しかし、スペクトル効率とシステム性能は、セルのカバレッジアリア（cell coverage area）内のユーザの密度分布および／またはトラフィック需要（traffic demand）に合わせたユーザ固有、および／またはセル固有のビームフォーミングを適用することにより向上させることができる。
図６は、ビームフォーミングに対応したリモート無線ヘッド１１のブロック図の一例を示している。図４と図６とを比較すると、フェーズドアレイアンテナ１１２は、ＲＦフロントエンド１１３とアンテナ１１１の代わりに接続されている。さらに、複数のアンテナ素子１１２ｃを含む、それぞれのサブアレイ１１２ｂがそれぞれのＲＦフロントエンド１１３に接続されている。
方位角面と仰角面においてユーザの密度分布に合わせたカバレッジの適応的調整のために、ユーザ端末２からの信号の送信あるいは受信それぞれの両面において全てのフェーズドアレイアンテナ１１２が使用される。ユーザ端末２へのアップリンク信号の送信やユーザ端末２からのダウンリンク信号の受信は、時間および周波数で重畳することができ、それはＲＦフロントエンド１１３にて制御される。
図７と図８は、それぞれ時分割複信（Time Division Duplex:ＴＤＤ）システムと周波数分割複信（Frequency Division Duplex:ＦＤＤ）システムとのブロック図の一例を示している。例えばＴＤＤシステムでは、同じアンテナがアップリンクの信号とダウンリンクの信号との両方に使用される。そこでは、図７が示すようにリモート無線ヘッド１１における受信と送信とを受信／送信スイッチ１１３１により制御する。
ＦＤＤシステムの場合においては、全てのアンテナがユーザ端末２からのアップリンクの信号の受信やユーザ端末２へのダウンリンクの信号の送信との両方に使用され得る。図８は、分割された周波数において同時にダウンリンクの信号の送信とアップリンクの信号の受信とを行うＦＤＤシステムにおけるリモート無線ヘッド１１のブロック図の一例を表している。そこでは、デュプレクサ１１３５が受信周波数帯と送信周波数帯とを分離している。ＴＤＤシステムとＦＤＤシステムのいずれのためのＲＦフロントエンド１１３の処理及びブロック図の詳細は当業者によく知られている。そのため、本開示ではＲＦフロントエンド１１３の詳細な説明は省かれている。
ここで、フェーズドアレイアンテナ１１２の合計数（Ｎ）はＲＦチェーン１１４の数（Ｌ）と比較して非常に多くなる（すなわち、Ｎ＞＞Ｌ）。フェーズドアレイアンテナ１１２とＲＦチェーン１１４間の接続は種々の方法で実現されていてよい。あり得る一つのアプローチは、全てのフェーズドアレイアンテナ１１２がＲＦチェーン１１４のそれぞれに接続されている場合で、送信および／または受信される信号は全てのＲＦ回路を通過する。そのような機構を無線および移動通信の文献においてはフルアレイアーキテクチャと呼ばれている。
もう一つのあり得るアプローチは、全てのアンテナを同じサイズまたは異なるサイズのサブアレイに分割するアプローチである。そのような機構は無線および移動通信の文献ではサブアレイアーキテクチャと呼んでいる。
フェーズドアレイアンテナ１１２とＲＦチェーン１１４とを接続するためのアプローチは他にいくつかあるが、本発明はフェーズドアレイアンテナ１１２とＲＦチェーン１１４との接続方法およびアプローチに関わらず当業者にとって容易に適用が可能である。
サブアレイ１１２ｂにおけるそれぞれのアンテナ素子１１２ｃは独立したアナログ位相シフタ１１２ａに接続されている。説明の目的のために、ここでは、リニアサブアレイを考慮に入れるが、本開示は例えば矩形や正方形および／または円形のような他のアンテナアレイの構成であっても有効である。アップリンクで個々のアンテナ素子１１２ｃから受信した信号は位相シフトされ、次いでサブアレイ１１２ｂの出力を供給するためにコンバイナ１１３２により合成されるが、これはアップリンクアナログビームフォーミングと呼ばれる。同様に、ダウンリンクのアナログビームフォーミングのために、ダウンリンクにて送信された信号はまずスプリッタ１１３３により分割され、サブアレイ１１２ｂにおいてそれぞれのアンテナ素子１１２ｃのために位相シフトされる。
リモート無線ヘッド１１は、一つあるいは多数のより広いおよび／またはより狭いビームを生成することが可能であり、位相シフトや振幅の両方を含むビームフォーミングウエイトを、それぞれのサブアレイ１１２ｂのそれぞれのアンテナ素子１１２ｃに対応付けることにより任意の空間方向に足してビームを傾斜することができる。なお、位相シフタ１１２ａは、説明目的のみのために使用しているのであり、本開示は、当業者の手により、バトラーマトリクスまたは他のいかなる類似の位相シフトネットワーク１１２ａを、アップリンクとダウンリンク両方におけるアナログビームフォーミングを生成するのに用いることが可能なシステムに適用できる。
リモート無線ヘッド１１の最大同時アナログビーム数は常にＲＦチェーン１１４の数に上限を拘束されている。言い換えると、最大でＬのみの異なるアナログビームフォーミングのための空間方向をＢから選択することができる。Ｂ＞＝Ｌであるところ、ＬはＲＦチェーン１１４の合計数であり、Ｂは空間方向の最大数である。
さらにＴＤＤシステムにおいては、Ｌのアナログビームの全てが、異なるタイムスロットにおいて、上りデータ通信によるデータの受信とダウンリンクにおけるデータの送信との両方に用いられ得る。図９は、ＴＤＤ（時分割複信）システムにおけるフレームの一例である。図９によると、フレーム４中のアップリンクのタイムスロット４１とダウンリンクのタイムスロット４２の数は、システムの要求に基づいて適応的に決められ、かつ調整される。このため、ＴＤＤシステムでは、アップリンクの性能を最大化するために、より多くのタイムスロットがアップリンクのデータ受信に使われ、ダウンリンクのデータ送信においてはその反対となる。ＦＤＤシステムと同様に、アップリンクとダウンリンクの周波数帯はシステムの要求に基づいて決定され適応的に調整される。図９においては参照符号４１１と４２１はそれぞれアップリンクのタイムスロットの開始時点とダウンリンクのタイムスロットの開始時点を示している。
図１０は、リモート無線ヘッド１１に含まれているＲＦチェーン１１４のブロック図の一例を示している。図１０を参照すると、ＲＦチェーン１１４は帯域通過フィルタ１１４１と、電力増幅器１１４２ａと、低雑音増幅器１１４２ｂと、ＩＦ(Intermediate frequency)＋ＲＦアップ／ダウンコンバータ１１４３と、低域通過フィルタ１１４４と、アナログデジタル変換器（Analog to Digital Converter: ADC）／デジタルアナログ変換器（Digital to Analog Converter: DAC）１１４５を含む。ユーザ端末２にデータが送信されるとき、ＲＦチェーン１１４はベースバンド信号を無線周波数帯に変調する。データがユーザ端末２から受信されるとき、ＲＦチェーン１１４は無線周波数帯の信号を復調してベースバンド信号へと復調する。
図３などを参照すると、デジタルインタフェース１１５は双方向の無線インタフェースバス１２を経由してベースバンドユニット１３とデータを交換する。
リモート無線ヘッド１１は、それぞれの期間で全ての空間方向を包括的に走査することを回避するために、アップリンクとダウンリンクとの両方で候補となるまたは可能性の高いアナログビームフォーミングのための空間方向を見つける最適化関数を定義している。そのため、システムは、他の空間方向において新たに出現したユーザの検出漏れと、有用な方向において既に存在しているユーザ端末２と、のより好ましいバランスを達成している。リモート無線ヘッド１１は、次に位相シフタ１１２ａに適切な重み付けを適用することにより、方位角面および仰角面のいずれにおいても有用な区間方向に向けたアナログビームフォーミングを傾斜する。処理についてのより詳細は、本開示の特定の実施形態を記載する際に、もたらされる。
なお、本開示はリモート無線ヘッド１１、そして任意の一般的なベースバンドユニット１３およびユーザ端末２と、リモート無線ヘッド１１と、の通信方法を提供する。ベースバンドユニット１３とユーザ端末２の詳細なブロック図および処理は当業者にとってよく知られているため、本文書では省略する。
以下では、上述の共通のシステムと装置の説明に基づいて、本開示の実施形態に特有の詳細についてそれぞれの順序で説明する。
＜第１の実施形態＞
以下、第一の実施形態について図面を参照してより詳細に説明する。
図１１は、第一の実施形態によるリモート無線ヘッド１１のブロック図の一例を示している。図１１を参照すると、リモート無線ヘッド１１は、組み合わされたモニタ／推定器（組合せ）１１６と、記憶部（storage）１１７と、パラメータ計算器１１８と、メトリック計算器１１９と、アナログビームセレクタ（analog beam selector）１１１０と、位相コントローラ（phase controller）１１１１とを含む。パラメータ計算器１１８は、上述したパラメータ計算器１０１に接続している。メトリック計算器１１９は、上述したメトリック計算器１０２に対応している。アナログビームセレクタ１１１０と位相コントローラ１１１１は上述したビーム成形器１０３に接続されている。
第１の実施形態は、フェーズドアレイアンテナ１１２を装備したリモート無線ヘッド１１を含み、ダウンリンクとアップリンクにおいて複数のユーザ端末２と指向性のある送信と受信とを行う、移動通信システムにおける方法を提供する。
第１の実施形態によると、リモート無線ヘッド１１は、走査されない期間および／または電力レベルを示す少なくとも一つのパラメータを各々の空間方向について算出する。リモート無線ヘッド１１は、続いてユーザの密度分布が比較的高い空間方向における通信期間を最適化するために、および他の空間方向に新たに出現したユーザを見落とすことを回避するために少なくとも一つのメトリックを算出する。システムは各時間間隔においてより良いバランスを達成する。最後に、リモート無線ヘッド１１は、位相シフタ１１２ａに適切な重み付けを適用することで、可能性のある空間方向におけるアナログビームフォーミングを傾斜させる。続いて図１１と図１２を参照して、第１の実施形態の詳細に説明する。
＜システムの処理＞
図１２は、ユーザ端末２とリモート無線ヘッド１１との両者を含むシステム全体の処理を示す。初めに、リモート無線ヘッド１１はリモート無線ヘッドの設計者により定義されたおよび／または装備の中で支持されている複数のアナログビームからアナログビームのサブセットを選択する。なお、リモート無線ヘッド１１が、一またそれ以上のビームが特定の空間方向に配置され得るところ、方位角面と仰角面の両方において同一のまたは異なるビーム幅の一またはそれ以上のアナログビームを生成することが可能である点である。ここで、リモート無線ヘッド１１は、ユーザの密度分布および／または走査されない期間および／または他の類似のパラメータについての過去の知識を用いたある最適化関数に基づいたアナログビームフォーミングのためのいくつかの可能性がある空間方向を、通信エリアにおける各々の空間方向について、既に選択していると想定される。よって、最初の処理であるステップＳ１１１は、算出されたメトリックを最大化するアナログビームフォーミングを使用した、特定の空間方向でのアップリンクとダウンリンクとの両方の可能性があるユーザ端末と通信を行うリモート無線ヘッド１１を示している。
組み合わされたモニタ／推定器（組合せ）１１６は、常にまたは事前に定義された間隔で、現在の空間方向に向けたアナログビームフォーミングの信号を監視する。この情報に基づいて、さらに記憶部１１７からの、全ての他の空間方向についての過去の履歴をも利用することで、パラメータ計算器１１８は、アップリンクとダウンリンクとの両方におけるアナログビームフォーミングの、全ての空間方向についての特徴を示した少なくとも一つのパラメータを算出する（ステップＳ１１２）。
例えば、このような一つのパラメータは、全ての空間方向についての走査されない期間を算出することにより、および／または、各々の空間方向についてアップリンクとダウンリンクとの両方における電力レベル、および／または他の類似のパラメータ、若しくは各時間間隔について、各々の空間方向についての特徴を示すこれらのパラメータの組み合わせ、を見積もることにより、得ることができる。
パラメータを算出した後、パラメータ計算器１１８は、記憶部１１７を更新する。アップリンクとダウンリンクとの両方において各々の空間方向について算出されたパラメータを格納し、保持している記憶部１１７が更新される（ステップＳ１１３）。
全ての空間方向について少なくとも一つのパラメータを算出した後に、メトリック計算器１１９は、ユーザが濃く分布している有用な空間方向におけるアナログビームフォーミングによる通信期間を最大化、そして同時に他の空間方向における新規なユーザの見落としを最小化するような少なくとも一つのメトリックを算出する（ステップＳ１１４）。
例えば、そのような一つのメトリックは通信エリア内の各々の空間方向について走査されない期間および電力レベルを示す少なくとも二のパラメータを有する最適化関数を検討することで得られる。
パラメータ計算器１１８は、次にアナログビームフォーミングのための空間方向をカテゴライズする。例えば空間方向は、算出されたメトリックの呼び出しを減らすという観点から、全ての空間方向を並び替えることによりカテゴライズし得る（ステップＳ１１５）。
アナログビームセレクタ１１１０は、次いで算出されたメトリックが相対的により高いような可能性のある空間方向のサブセットを選択する（ステップＳ１１６）。リモート無線ヘッド１１は、これらの特定された方向においてアナログビームフォーミングを実行する。
最後に、位相コントローラ１１１１が、フェーズドアレイアンテナ１１２ｂにおけるそれぞれの位相シフタに、位相シフトと振幅が含まれる適切なビームフォーミングの重み付けを適用することにより、アナログビームを操舵する（傾ける）（ステップＳ１１７）。リモート無線ヘッド１１は、可能性のある空間方向におけるアナログビームフォーミングを傾斜させる。その後に続いた時間間隔におけるアナログビームフォーミングを生成するためのそれぞれのサブアレイに対する位相シフトの重み付けの割り当ては、前の時間間隔における割り当てられた位相シフトの重み付け、言い換えると、ユーザの分布に依存する。それぞれのサブアレイでのアナログビームフォーミングの変化は、ベースバンドユニット１３においての高いＳＮＲの変化につながるべきでない。データ通信に利用されるサブキャリアのすべてに共通するが、これはアナログビームフォーミングが相対的に長い期間でかつ粗いレベルで適用されるからである。
上記に述べた第１の実施形態の説明に基づいて、各時間間隔について、ユーザの密度分布を変更する点に関して、方位角面と仰角面との両方における適応的なアナログビームフォーミングによりセルのカバレッジを最適化することによりスペクトル効率とシステム性能とが向上すると結論付けることができる。本開示は、相対的により長い期間に通信するために、より有用でない空間方向を走査することを回避することにより比較的よりよい通信期間を達成している。さらに、本開示は、もし走査されない期間が比較的大きくなった場合には、各々の空間方向に適応的に優先順位をつけることによりデータ通信と見落としとの間のより良いバランスを達成している。
第１の実施形態の処理についてよりよい理解を提供するために、一つの事例を提供する。
実施形態１の処理によると、リモート無線ヘッド１１は、まず、各々の空間方向における特徴を表す少なくとも一つのパラメータを算出する（ステップＳ１１２）。空間方向最大数Ｂを、カバレッジエリアにおける空間方向の合計とする。リモート無線ヘッド１１は、最大で、Ｌ個のアナログビームを生成することができることから、Ｂ＞＝Ｌである。よって、各々の空間方向の特性を表す一つのパラメータは、各々の空間方向ｂについて走査されない期間（un-scanned duration）Δｔ、すなわち、
Δtｂ ∀b=1,2,...,B
を算出することにより得ることができる。
さらに、各々の空間方向について算出された電力レベルＰｂに基づいて、ユーザの密度分布を見積もることができる。このため、Ｐｂはカバレッジエリアにおける各々の空間方向の特性を表す鍵となるパラメータの一つでもある。
各々の空間方向の特性を表すもう一つのパラメータが予め定められた閾値と電力レベルを比較することで得ることができる。すなわち、閾値を充足する空間方向は、予め定められた閾値を下回る電力レベルの他の空間方向と比較すると相対的により高いユーザの密度分布を表している。
各々の空間方向の特性を表すもう一つのパラメータは、アナログビームフォーミングの各々の空間方向について算出された電力が予め定められた閾値を上回る期間を計測することにより得られる。すなわち、より長い期間閾値を充足している空間方向が、他の空間方向に比べて高いユーザの密度分布を表している。
同様に、各々の空間方向ｂについての特徴を表すいくつかの他の同一つのパラメータおよび／またはパラメータの組み合わせが存在する。とはいえ説明を簡素化するため、この実施例では２つのパラメータのみを考慮に入れる。すなわち、各々の空間方向について算出された電力Ｐbの絶対値と、走査されない期間Δｔbとである。実際にはいくつかのパラメータおよび／またはパラメータの組み合わせはありふれており、当業者にとってよく知られている。
リモート無線ヘッド１１は、次に、通信の期間を最大化し、新しいユーザの見落としを最小化することによりシステム性能を向上するように、算出されたパラメータに基づいた少なくとも一つのメトリックを算出する（ステップＳ１１４）。これは、任意の特定の時間間隔において、アナログビームフォーミングは多くてＢ以下のＬ（Ｂ＞＝Ｌ）の異なる空間方向において通信が可能であるためである。よって、最適化関数の目的は、他の空間方向において新たに現れたユーザの見落としを回避しながらも、相対的にユーザの分布が密な方向における通信期間を最適化するような、アナログビームフォーミングのための可能性のある空間方向のサブセットを見つけることにある。そのような一つのメトリックは次のような最適化関数により得ることが可能である。
［数１］

Figure 2020536449
Ｍｂ（ｔ）は時刻ｔにおける空間方向ｂについて算出されたメトリックを表している。空間方向ｂにおいて走査されない期間と電力レベルはそれぞれΔｔｂとＰｂによりもたらされる。
Figure 2020536449
といった全ての空間方向についてメトリックＭｂ（ｔ）を算出した後に、リモート無線ヘッド１１は、高々Ｌのアナログビームフォーミングのための可能性ある空間方向を選択できる（ステップＳ１１５）。
算出されたメトリックの値に基づいて、全ての空間方向を降順に並び替え、そして次にＢからＬの空間方向をまず選択するというのが、可能である一つの方法としてあり得る。最後に、リモート無線ヘッド１１は、適切なビームフォーミングの重み付けを適用することにより可能性のある全ての空間方向にアナログビームフォーミングを傾斜させる（ステップＳ１１６およびステップＳ１１７）。
ベースバンドユニット１３においてＳＮＲのばらつきを回避するために、後に続く時間間隔におけるアナログビームフォーミングのために、最も近傍の可能性のある空間方向を占有するようなやり方でそれぞれのサブアレイに対してビームフォーミングの重み付けが割り当てられる。新しいユーザを見落としてしまうことと、データ通信の期間とのより良いバランスを達成するために、対応する最適化関数は算出されたパラメータについて次のような関係を有する。
［数２］
Figure 2020536449
最適化関数の一つは、
Figure 2020536449
のように、単にパラメータの両者の積をとることで得られる。
また確率的アプローチを用いることで類似の最適化関数を導き出すこともできる。すなわち、
Figure 2020536449
ｗは重み付け係数であり０＜＝ｗ＜＝１である。ｗの値はシステムの要求に基づいて適応的に決定および調整され得る。システムのスループットを最大化するために（ｗは０．５よりも大きい必要がある；すなわちｗ＞０．５）、相対的により長い期間にわたってユーザの密度分布がより濃い方向にアナログビームフォーミングを配置することで有効な通信期間が最大化される。同様に、新たに現れたユーザを見落とすことを回避するために、より頻繁に他の空間方向を走査することが行われている（ｗは０．５または０．５より小さい；ｗ＜＝０．５）。
同じように、一またはそれ以上の類似のパラメータおよび／またはパラメータの組み合わせから導かれた他の最適化関数がいくつか存在する。しかし、これらの効果は当業者によく知られている。
＜第２の実施形態＞
以下、図面を参照して第２の実施形態について詳細に説明する。
要約すると、第２の実施形態は、前記第１の実施形態を一点変更したものである。特に、第２の実施形態では、アップリンクとダウンリンクとの両方において、より好ましい空間方向のアナログビームフォーミングの決定と選択を行う新しい手法を導入している。例えばリモート無線ヘッド１１は、各々の空間方向に対するメトリックの平均を算出し、次いで、該メトリックの平均を最大化する少なくとも一つの可能性のある空間方向を選択する。メトリックの平均の算出と、そのメトリックの平均を最大化する少なくとも一つの可能性のある空間方向の選択との処理は、少なくともＬ個の可能性のある空間方向が決定されるまで繰り返される。
第１の実施形態に対するこのような追加に基づいて、第２の実施形態は、それぞれのアナログビームフォーミングの空間方向のためのメトリックを算出するのに用いられるハードウェア要素の機能を変更する。
続いて図１３と図１４を参照して、第２の実施形態について詳細に説明する。
図１３を参照すると、メトリック更新器(metric updater)１１１２が、図１１に示すような第１の実施形態のリモート無線ヘッド１１に追加される。メトリック更新器１１１２は、アップリンクとダウンリンクとの両方におけるアナログビームフォーミングの隣接する空間方向に渡って前記算出されたメトリックを平均することにより、各々の空間方向に対するメトリックの平均を算出する。
＜システムの処理＞
図１４はリモート無線ヘッド１１とユーザ端末２との両方を含んだシステム全体の処理を示している。初めの４つの処理のステップＳ１１１からステップＳ１１４は、前記第１の実施形態における処理と類似する。リモート無線ヘッド１１は、アップリンクとダウンリンクとの両方においてアナログビームフォーミングのための可能性のある空間方向のサブセットを選択し、ユーザ端末２と通信する（ステップＳ１１１）。次に、パラメータ計算器１１８は、アップリンクとダウンリンクとの両方におけるアナログビームフォーミングの各々の空間方向の特性を表す少なくとも一つのパラメータを算出する（ステップＳ１１２）。次に、パラメータ計算器１１８は、記憶部１１７を更新する（ステップＳ１１３）。次に、メトリック計算器１１９は、算出されたパラメータを用いてアナログビームフォーミングの各々の空間方向のための少なくとも一つのメトリックを算出する（ステップＳ１１４）。
初めに、メトリック更新器１１１２は、選択された空間方向の数がＬに等しいか否かを決定する（ステップＳ１１１８）。メトリック更新器１１１２において、もし選択された空間方向がＬに等しい場合、処理は、ステップＳ１１７に進む。もし選択された空間方向の数がＬに等しくない場合には、処理は、ステップＳ１１９に進む。
メトリック更新器１１１２は、アップリンクとダウンリンクとの両方とにおけるアナログビームフォーミングの隣接する空間方向にわたって算出されたメトリックを平均することにより、各々の空間方向に対するメトリックの平均を算出する（ステップＳ１１９）。例えば、このようなメトリックの平均の一つは、ほんの傍に隣接する空間方向のみを考慮に入れ、隣接する空間方向における算出されたメトリックの値を用いることによりメトリックの平均を計算することで得られる。
メトリック更新器１１１２は、算出されたメトリックの平均の最高値を持つただ一つの空間方向を選択し、記憶部１１７内へ格納する（ステップＳ１１１０）。
その選択された空間方向のメトリックの平均である算出された値は次回の繰り返しにおいて平均値をとる前に異なる値に置き換えられる（ステップＳ１１１１）。例えば、そのような、置き換えられるための値の一つは、その選択された空間方向に向けたアナログビーム内の合計のメトリックの合計の１／Ｌを減算することにより得られる。
さらに、すでに選択された空間方向に非常に近い空間方向を選択するのを回避するために、選択された空間方向のメトリックの平均の算出に用いられた隣接するアナログビームの電力の端数（少数部）も減算される（取り除かれる）。このようなメトリック更新器１１１２の処理は、その選択された空間方向に隣接する空間方向における算出されたメトリックの一部分を減算することによりメトリックを更新することに該当する。すなわち、メトリック更新器１１１２は、選択された空間方向の算出されたメトリックの部分だけメトリックを更新する。
もう一つの可能なやり方として、選択された空間方向のメトリックの平均を、連続する繰り返しの中ですでに選択された空間方向が再度選択されるのを回避するための事前に決定された値（例えば、非常に小さい値）に置き換えるといったやり方があり得る。同様に、選択された空間方向のメトリックの平均の値を置き換えるための他のいくつかの同様なやり方が存在する。実際には、他のやり方および／またはやり方の組み合わせを検討した結果は、当業者にとってありふれており明白である。例えばメトリック更新器はシステム内のＲＦチェーン１１４の数、アンテナ１１２の数、システムにおけるアナログビームの数、あるいはシステムにおける用者の分布を考慮して算出されたメトリックの一部分を減算することでメトリックを更新する。
メトリック更新器１１１２は、少なくともＬの可能性のある空間方向が決定されるまで、その選択された空間方向の変更された値を考慮することによりメトリックの平均を算出し、メトリックの平均を最大化する少なくとも一つの可能性のある空間方向を選択するという処理を繰り返す。ここで、Ｌは、リモート無線ヘッド１１において対応している同時のアナログビームの最大値である。
最後に、リモート無線ヘッド１１は、フェーズドアレイアンテナ１１２ｂにおいてそれぞれの位相シフタに対し適切なビームフォーミングの重み付けを適用することによりアナログビームを傾斜させ（ステップＳ１１１７）、そして、可能性のある空間方向にアナログビームを操舵する。後に続く時間間隔におけるアナログビームフォーミングを生成するための各々のサブアレイへの位相シフトのための重み付けの割り当ては、以前の時間間隔において割り当てられた位相シフトのための重み付け、言い換えれば、ユーザの分布に依存する。このため、それぞれのサブアレイでのアナログビームフォーミングの変化が、ベースバンドユニット１３でのより大きなＳＮＲのばらつきをもたらすべきではない。
第２の実施形態における上記説明に基づくと、第２の実施形態は、前記第１の実施形態をさらに改良したものであると結論づけられる。特に隣接する空間方向を用いて算出されたメトリックの平均に基づいてアナログビームを選択することが、カバレッジエリア内において相対的により濃いユーザの密度分布の領域にアナログビームを揃えることになる。
第２の実施形態におけるより好ましいアナログビームフォーミングの空間方向を決定および選択する処理をより良く理解するために、一つの事例を提供する。
ステップＳ１１１からステップＳ１１４までの処理の詳細な説明は、前記第１の実施形態の例で網羅されているので簡潔とするため、ここでは省略する。
時間ｔにおける空間方向ｂについて算出されたメトリックをｍｂ（ｔ）とする。すると、
Figure 2020536449

は、アナログビームフォーミングの全ての空間方向についての算出されたメトリックを示す。
まず初めに最初の繰り返しの実行のために、
Figure 2020536449
としてメトリックを初期化する。リモート無線ヘッド１１は、次に各々の空間方向ｂ、
Figure 2020536449
についてメトリックの平均
Figure 2020536449
を算出する（ステップＳ１１９）。そのようなメトリックの平均の一つは、隣接する空間方向にて算出されたメトリックに基づいて得られる。移動通信システムの関連技術における数学的な記法を用いることにより、算出されメトリックの平均は、次のような数学的記法により表現される。
［数３］
Figure 2020536449
ここでＡは正の値であり、各々の空間方向についてのメトリックの平均の算出に用いられた隣接する空間方向の数を表している。この算出されたメトリックの平均の集合
Figure 2020536449
に基づいて、リモート無線ヘッド１１は、次にメトリックの平均の集合
Figure 2020536449
の内の最大値に対応した一つの空間方向を選択し、これを格納する（ステップＳ１１１０）。
リモート無線ヘッド１１は、現在選択されているアナログビームに基づいてメトリックの集合
Figure 2020536449
を更新する（ステップＳ１１１１）。例えば
Figure 2020536449
をメトリックの平均の集合
Figure 2020536449
のうちの最大値とする。リモート無線ヘッド１１は、
Figure 2020536449
を記憶部１１７に格納し、新たなメトリックとして
Figure 2020536449
を定義する。すなわち、
Figure 2020536449
ここで
Figure 2020536449
である。
現在のメトリックの平均を用いてメトリックの平均を算出すること（ステップＳ１１９）、一つの空間方向を選択すること（ステップＳ１１１０）、そして、メトリックの平均を更新すること（ステップＳ１１１１）は、現在の時間間隔について少なくともＬの空間方向が決定されるまで繰り返される。最後にリモート無線ヘッド１１は適切なビームフォーミングの重み付けを適用することにより可能性のある空間方向においてアナログビームフォーミングを傾斜させる（ステップＳ１１７）。
本開示の第１および第２の実施形態における一つの変更に従って、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、各ＲＦチェーン１１４とデジタルインタフェース１１５との間を流れるデジタル信号を、絶え間なくまたは事前に決められた間隔で監視する。より具体的には、アップリンクとダウンリンクとの両方における各々の空間方向の特性を表すパラメータの算出のために、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、第１の実施形態と第２の実施形態においてそれぞれ図１５と図１６で示されているように、ダウンリンクでデジタルインタフェース１１５から各ＲＦチェーン１１４に流れるデジタル信号と、アップリンクで各ＲＦチェーン１１４からデジタルインタフェース１１５に流れるデジタル信号とを監視する。各々の空間方向の特性を表すそのような一つのパラメータは、電力レベルＰｂを算出することで得ることができる。移動通信システムの関連技術における数学的記法を用いることによって、アップリンクとダウンリンクにおけるＲＦチェーン＃ｌ（ｌ番目のＲＦチェーン１１４）のデジタル信号から算出された電力は、それぞれ次のような数学的記法にて表現することができる。
［数４］

Figure 2020536449
［数５］

Figure 2020536449

ここで、
Figure 2020536449
と

Figure 2020536449
とは、それぞれ、ｉ番目のアップリンクのタイムスロットとｊ番目のダウンリンクのタイムスロットにおけるｌ番目のサブアレイについての空間方向ｂでのアナログビームフォーミングのデジタル信号から算出された電力レベルを表している。

Figure 2020536449
と
Figure 2020536449
とは、空間方向ｂにおける時刻ｎでのＲＦチェーン＃ｌのアップリンクのデジタル信号の同相(in-phase)および直交(quadrature)位相成分である
Figure 2020536449
と
Figure 2020536449
とは、空間方向ｂにおける時刻ｎでのＲＦチェーン＃ｌのダウンリンクのデジタル信号の同相および直交位相成分である。最後に、ｎｉ，ＵＬとｎｊ，ＤＬとは、図９に示されているように、それぞれｉ番目のアップリンクのタイムスロット４１１とｊ番目のダウンリンクのタイムスロット４２１の開始インデックスを表している。
本開示の第１の実施形態と第２の実施形態とにおけるもう一つの修正に従って、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、ＲＦチェーン１１４のそれぞれとＲＦフロントエンド１１３との間を流れるアナログ信号を監視する。より具体的には、アップリンクとダウンリンクとの両方における各々の空間方向の特性を表現するパラメータを算出するため、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、図１７と図１８でそれぞれ第１の実施形態と第２の実施形態について示されているように、ダウンリンク方向のＲＦチェーン１１４のそれぞれからＲＦフロントエンド１１３に流れるアナログ信号と、同様にアップリンク方向のＲＦフロントエンド１１３のそれぞれからＲＦチェーン１１４に流れるアナログ信号と、を監視する。
各々の空間方向の特性を表したそのようなパラメータの一つは、電力レベルＰｂを算出することにより得ることができる。移動通信システムの関連技術における数学的記法を使用することにより、アップリンクとダウンリンクにおけるＲＦチェーン＃ｌのアナログ信号から算出された電力は、それぞれ、次のような数学的記法で表現できる。
［数６］

Figure 2020536449
［数７］

Figure 2020536449
ここで、
Figure 2020536449
と
Figure 2020536449
とは、それぞれ、ｉ番目のアップリンクのタイムスロットとｊ番目のダウンリンクのタイムスロットにおけるｌ番目のサブアレイについての空間方向ｂにおけるアナログビームフォーミングの信号から算出された電力レベルを表している。
Figure 2020536449
は、空間方向ｂにおける時刻ｔでのＲＦチェーン＃ｌのためのアップリンクのアナログ信号である。同様に、
Figure 2020536449
は、空間方向ｂにおける時刻ｔでのＲＦチェーン＃ｌのダウンリンクのアナログ信号である。ＴＵＬとＴＤＬは、それぞれフレーム４における一つのアップリンクのタイムスロット４１と一つのダウンリンクのタイムスロット４２の期間を表している。最後に、ｔｉ，ＵＬとｔｊ，ＤＬは、図９にそれぞれ示されているように、ｉ番目のアップリンクのタイムスロット４１１とｊ番目のダウンリンクのタイムスロット４２１との開始時刻を表している。
一般的には、リモート無線ヘッド１１からの、および／またはリモート無線ヘッド１１への送信および／または受信されたアナログ信号は、より大きな振幅揺動を有している。関連するもう一つのパラメータは、２またはそれ以上のタイムスロットわたって算出された電力レベルを平均することで得られる。移動通信システムの関連技術における数学的記法を用いることにより、アップリンクおよびダウンリンクにおけるＲＦチェーン＃ｌのアナログ信号から算出される平均は、それぞれ次のような数学的記法により表される。
［数８］

Figure 2020536449
［数９］

Figure 2020536449
ここで、
Figure 2020536449
と
Figure 2020536449
は、それぞれアップリンクとダウンリンクにおける平均電力レベルを表している。ＩＵＬとＪＤＬは、それぞれ、アップリンクの電力とダウンリンクの電力を平均するために用いられるタイムスロットの期間および／または数の平均を表している。
本開示の第１の実施形態と第２の実施形態における他一つの変更によれば、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、各ＲＦチェーン１１４内を流れるアナログ信号を監視する。より具体的には、アップリンクとダウンリンクとの両方における空間の特性を表すパラメータを算出するために、組み合わされたモニタ／推定器（monitor/estimator）１１６は、各ＲＦチェーン１１４のアナログ信号を監視する。例えば、ダウンリンクでデータを送信する場合のDAC１１４５の出力のアナログ信号や、アップリンクでデータを受信する場合のADC１１４５の入力のアナログ信号を監視する。同様に、図１０に示されているように、ＲＦチェーン１１４の任意の２つの要素の間を流れるアナログ信号から監視を行う。
本開示の第１の実施形態と第２の実施形態におけるもう一つの変更によれば、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、無線インタフェースバス１２内を流れる信号を監視する。より具体的には、アップリンクとダウンリンクとの両方における各々の空間方向の特性を表すパラメータを算出するために、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、ベースバンドユニット１３とリモート無線ヘッド１１とを接続する双方向の無線インタフェースバス１２を傍受する。
本開示の第１の実施形態および第２の実施形態のもう一つの変更によれば、組み合わされたモニタ／推定器１１６は、アップリンクとダウンリンクとの両方において各空間方向の特性を表すパラメータを算出するため、アップリンクの信号とダウンリンクの信号、および／またはアップリンクとダウンリンクとの信号の両方を組み合わせを監視する。移動通信システムの関連技術における数学的記法を用いることにより、アップリンクとダウンリンクとにおける信号から算出された電力レベルを使用することにより、このような一つのパラメータの一つを算出することができ、数学的記法にしたがって以下のように表される。
［数１０］

Figure 2020536449

ここで、
Figure 2020536449
は、ｌ番目のサブアレイの空間方向ｂの電力レベルを表しており、ｑは、重み付け係数であり、０＜＝ｑ＜＝１。ｑの値は、システムの要求にもとづいて適応的に決定され調整される。アップリンクの性能を最大化するために（ｑは０．５よりも大である必要がある；ｑ＞０．５）、ダウンリンクのユーザ分布がより高くなる方向にアナログビームフォーミングを整列することによりダウンリンクの通信期間が最大化される。
なお、第１の実施形態と第２の実施形態との適用は、上記の説明に使用されたパラメータおよび／またはメトリックに限定されない。それどころか、本開示のエッセンスは、異なるシステム構成を考慮することにより、当業者にとって様々なシナリオに適用し得る。
リモート無線ヘッド１１の機能(例えば、パラメータ計算器１１８、メトリック計算器１１９)は、リモート無線ヘッド１１（図１９参照）に組み込まれたプロセッサにより実現することができる。例えばリモート無線ヘッド１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１とメモリ５２と含む。例えばパラメータ計算器１１８のような演算モジュールはメモリ５２に格納されたプログラムをＣＰＵ５１が実行することにより実現することができる。さらに、このプログラムは、ネットワークを介して、またはプログラムを格納した記憶媒体からプログラムをダウンロードすることにより更新することができる。
より好ましい形態について記載する。
（形態１）
形態１は第一の視点によるリモート無線ヘッドと同様である。
（形態２）
形態１によるリモート無線ヘッドであって、選択された空間方向のメトリックの一部を差し引くことにより、前記メトリックを更新するメトリック更新器をさらに有するリモート無線ヘッド。
（形態３）
形態２によるリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記選択された空間方向に隣接する空間方向の前記メトリックの一部を差し引くことにより、前記算出されたメトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態４）
形態２または形態３によるリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記システム内のＲＦチェーンの数、前記システム内のアンテナの数、前記システム内のアナログビームの数、または前記システム内のユーザ分布を考慮して、前記算出されたメトリックの一部を差し引くことにより、前記メトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態５）
形態２から形態４のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記隣接する空間方向に亘って前記算出されたメトリックを平均化することにより、前記メトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態６）
形態１から形態５のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック計算器は、信号強度の関数として各々の前記空間方向の特性を表現する一以上のパラメータを算出するリモート無線ヘッド。
（形態７）
形態１から形態５のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの各々の前記空間方向のアップリンク受信信号を用いて前記算出されたパラメータの関数として少なくとも一つのメトリックを算出するリモート無線ヘッド。
（形態８）
形態１から形態５のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの各々の前記空間方向のダウンリンクにおいて送信した信号を用いて前記算出されたパラメータの関数として少なくとも一つのメトリックを算出するリモート無線ヘッド。
（形態９）
形態１から形態５のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの前記各々の空間方向における電力のレベルおよび前記走査されない期間を示す少なくとも二のパラメータを用いることにより少なくとも一つのメトリックを算出するリモート無線ヘッド。
（形態１０）
形態１から形態９のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記ビームフォーマは、次に続く時間におけるアナログビームの方向との差に基づいてそれぞれの時間のアナログビームを生成するリモート無線ヘッド。
（形態１１）
形態１から形態１０のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、各々の前記空間方向の前記算出されたパラメータを保持する記憶部と、
現在の空間方向のアナログビームフォーミングの信号を監視する監視部と、をさらに有するリモート無線ヘッド。
（形態１２）
形態１１によるリモート無線ヘッドであって、前記監視部は、デジタル信号またはアナログ信号を監視するリモート無線ヘッド。
（形態１３）
形態１１または形態１２によるリモート無線ヘッドであって、前記パラメータ計算器は、前記記憶部内に保持されている情報および、前記監視部により監視されている情報を用いることにより少なくとも一つのパラメータを算出するリモート無線ヘッド。
（形態１４）
形態１４は第二の視点によるビームフォーミング方法と同様である。
（形態１５）
形態１５は第三の視点による記憶媒体と同様である。
（形態１６）
少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドであって、
各々の空間方向に対して走査されない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出するパラメータ計算器と、
各々の空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出するメトリック計算器と、
選択された空間方向のメトリックの一部を差し引くことにより、前記メトリックを更新するメトリック更新器と、算出された前記メトリックによる空間方向に向かってアナログビームを生成するビームフォーマと、を有するリモート無線ヘッド。
（形態１７）
形態１６によるリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記隣接する空間方向の前記算出されたメトリックを平均化することにより前記メトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態１８）
形態１６または形態１７によるリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記選択された空間方向に隣接する空間方向の前記メトリックの一部を差し引くことにより、前記算出されたメトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態１９）
形態１６から形態１８のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記メトリック更新器は、前記システム内のＲＦチェーンの数、前記システム内のアンテナの数、前記システム内のアナログビームの数、または前記システム内のユーザ分布とを考慮した前記算出されたメトリックの一部を差し引くことにより、前記メトリックを更新するリモート無線ヘッド。
（形態２０）
形態１６から形態１９のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、パラメータ計算器は走査されない期間の関数として各々の空間方向の特性を表す一またはそれ以上のパラメータを算出するリモート無線ヘッド。
（形態２１）
形態１６から形態１９のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、パラメータ計算器は信号強度の関数として各々の空間方向の特性を表す一またはそれ以上のパラメータを算出するリモート無線ヘッド。
（形態２２）
形態１６から形態１９のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、メトリック計算器はアナログビームフォーミングの各々の空間方向について受信したアップリンクの信号を用いて算出されたパラメータの関数として少なくとも一つのメトリックを算出するリモート無線ヘッド。
（形態２３）
形態１６から形態１９のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、メトリック計算器はアナログビームフォーミングの各々の空間方向について送信したダウンリンクの信号を用いて算出されたパラメータの関数として少なくとも一つのメトリックを算出するリモート無線ヘッド。
（形態２４）
形態１６から形態２３のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、前記ビームフォーマは、次に続く時間におけるアナログビームの方向との差に基づいてそれぞれの時間のアナログビームを生成するリモート無線ヘッド。
（形態２５）
形態１６から形態２４のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、各々の前記空間方向の前記算出されたパラメータを保持する記憶部と、
現在の空間方向のアナログビームフォーミングの信号を監視する監視部と、をさらに有するリモート無線ヘッド。
（形態２６）
形態２５によるリモート無線ヘッドであって、前記監視部はベースバンドユニットのデジタルインタフェースとＲＦチェーンとの間を流れるデジタル信号を監視するリモート無線ヘッド。
（形態２７）
形態２６によるリモート無線ヘッドであって、前記監視部はＲＦチェーンとＲＦフロントエンドとの間を流れるアナログ信号を監視するリモート無線ヘッド。
（形態２８）
形態２５から形態２７のうちのいずれか一つのリモート無線ヘッドであって、パラメータ計算器は、監視部により監視された情報と記憶域に格納された情報とを使用して少なくとも一つのパラメータを算出するリモート無線ヘッド。
（形態２９）
少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナによるリモート無線ヘッドにおいて実行されるビームフォーミング方法であって、各々の空間方向に対して走査されない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出するステップと、各々の空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出するステップと、各々の空間方向について算出されたメトリックに基づいて、少なくとも一つのメトリックを更新するステップと、算出された前記メトリックの平均による空間方向に向かってアナログビームを生成するステップと、からなるビームフォーミング方法。
（形態３０）
少なくとも一つのユーザ端末に提供する複数のアナログビームを生成する無線通信システムにおける複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドに埋め込まれた計算機で実行されるプログラムであって、前記プログラムは、各々の空間方向における走査されない期間が含まれる少なくとも一つのパラメータを算出するステップと、各々の空間方向における算出されたパラメータに基づいた少なくとも一つのメトリックを算出するステップと、各々の空間方向について算出されたメトリックに基づいて少なくとも一つのメトリックを更新するステップと、算出されたメトリックの平均によって選択された空間方向に向けたアナログビームを生成するステップと、を計算機に実行させるプログラム。
上記取り上げられた特許文献の開示はこれにより本開示に引用として組み込むこととする。実施形態は、本発明の全体の開示（特許請求の範囲を含む）の視点の範囲内で、またその基本的な技術的思想に基づいて、変更され調整され得る。本発明の特許請求の範囲の射程内において、種々の公開された要素が組み合わされかつ様々なやり方で選択される。すなわち、本発明の開示の全体の範囲内で当業者により施されるそのような修正、選択だけでなく変更が含まれると理解されるべきである。
１ 基地局（Base Transceiver Station : BTS）
２ ユーザ端末（User Terminal: UT）
３ 基地局の無線カバレッジエリア(BTS radio coverage area)
４ フレーム
１１ リモート無線ヘッド
１２ 双方向の無線インタフェースバス
１３ ベースバンドユニット（Base Band Unit; BBU、ベースバンド回路）
２１ ユーザ端末のアンテナ（UT antenna）
４１ アップリンクのタイムスロット
４２ ダウンリンクのタイムスロット
５１ ＣＰＵ
５２ メモリ
１０１、１１８ パラメータ計算器
１０２、１１９ メトリック計算器
１０３ ビームフォーマ（ビーム成形器）
１１１ 基地局のアンテナ
１１２ フェーズドアレイアンテナ
１１２ａ 位相シフタ
１１２ｂ サブアレイ
１１２ｃ アンテナ素子
１１３ ＲＦフロントエンド
１１４ ＲＦチェーン
１１５ デジタルインタフェース
１１６ 組み合わされたモニタ／推定器（モニタ／推定器）
１１７ 記憶部(storage）
４１１ アップリンクタイムスロットの開始
４２１ ダウンリンクタイムスロットの開始
１１１０ アナログビームセレクタ
１１１１ 位相コントローラ
１１１２ メトリック更新器(metric updater)
１１３１ 受信／送信スイッチ
１１３２ コンバイナ（combiner）
１１３３ スプリッタ(splitter)
１１３５ デュプレクサ(duplexer)
１１４１ 帯域通過フィルタ
１１４２ａ 電力増幅器
１１４２ｂ 低雑音増幅器
１１４３ ＩＦ＋ＲＦアップ／ダウンコンバータ
１１４４ 低域通過フィルタ
１１４５ アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）／デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
本発明は、リモート無線ヘッド（RRH：Remote Radio Head）、ビームフォーミング方法およびプログラムに関し、特にＲＲＨ、ビームフォーミング方法および、ビームフォーミングとビーム配置のためのプログラムに関する。
第三の視点によれば、少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドに組み込まれた計算機により実行されるプログラムであって、それぞれの空間方向に対してスキャンされない期間を含む少なくとも一のパラメータを算出する処理と、それぞれの空間方向に対して算出された前記パラメータに基づいて、少なくとも一のメトリックを算出する処理と、算出された前記メトリックによる空間方向に向かってアナログビームを生成する処理と、を前記計算機に実行させるプログラムが提供される。なお、このプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記録することができる。記憶媒体は、半導体メモリ、ハードディスク、磁気記録媒体、光記録媒体等の非トランジェント（non-transient）なものとすることができる。本発明は、コンピュータプログラム製品として具現することも可能である。
実施形態１の処理によると、リモート無線ヘッド１１は、まず、各々の空間方向における特徴を表す少なくとも一のパラメータを算出する（ステップＳ１１２）。空間方向最大数Ｂを、カバレッジエリアにおける空間方向の合計とする。リモート無線ヘッド１１は、最大で、Ｌ個のアナログビームを生成することができることから、Ｂ＞＝Ｌである。よって、各々の空間方向の特性を表す一つのパラメータは、各々の空間方向ｂについて走査されない期間（un-scanned duration）Δｔ、すなわち、
Δtｂ ∀b=1,2,...,B
を算出することにより得ることができる（∀は全称記号であり、∀b=1,2,...,Bは、１乃至Bの任意の１つを表している）。
［数６］

Figure 2020536449
［数７］
Figure 2020536449
ここで、
Figure 2020536449
と
Figure 2020536449
とはそれぞれ、ｉ番目のアップリンクのタイムスロットとｊ番目のダウンリンクのタイムスロットにおけるｌ番目のサブアレイについての空間方向ｂにおけるアナログビームフォーミングの信号から算出された電力レベルを表している。
Figure 2020536449
は、空間方向ｂにおける時刻ｔでのＲＦチェーン＃ｌのためのアップリンクのアナログ信号である。同様に、
Figure 2020536449
は、空間方向ｂにおける時刻ｔでのＲＦチェーン＃ｌのダウンリンクのアナログ信号である。ＴＵＬとＴＤＬは、それぞれフレーム４における一つのアップリンクのタイムスロット４１と一つのダウンリンクのタイムスロット４２の期間を表している。最後に、ｔｉ，ＵＬとｔｊ，ＤＬは、図９にそれぞれ示されているように、ｉ番目のアップリンクのタイムスロット４１１とｊ番目のダウンリンクのタイムスロット４２１との開始時刻を表している。

Claims (15)

  1. 少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドであって、
    各々の空間方向に対してスキャンされない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出するパラメータ計算器(parameter calculator)と、
    各々の前記空間方向に対して前記算出されたパラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出するメトリック計算器(metric calculator)と、
    前記算出されたメトリックに応じて空間方向に向けられた複数のアナログビームを生成するビーム成形器（beam former）と、
    を備えた、リモート無線ヘッド。
  2. 選択された空間方向の前記算出されたメトリックの一部を差し引くことにより、前記算出されたメトリックを更新するメトリック更新器をさら備えた、請求項１に記載のリモート無線ヘッド。
  3. 前記メトリック更新器は、前記選択された空間方向に隣接する空間方向の前記メトリックの一部を差し引くことにより、前記算出されたメトリックを更新する、請求項２に記載のリモート無線ヘッド。
  4. 前記メトリック更新器は、前記システム内のＲＦチェーンの数、前記システム内のアンテナの数、前記システム内のアナログビームの数、または前記システム内のユーザ分布を考慮して、前記算出されたメトリックの一部を差し引くことにより、前記算出されたメトリックを更新する、請求項２または３に記載のリモート無線ヘッド。
  5. 前記メトリック更新器は、前記隣接する空間方向に亘って前記算出されたメトリックを平均化することにより、前記メトリックを更新する、請求項２乃至４のいずれか一項に記載のリモート無線ヘッド。
  6. 前記メトリック計算器は、信号電力の関数として各々の前記空間方向の特性を表現する一つまたは複数のパラメータを算出する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリモート無線ヘッド。
  7. 前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの前記各々の空間方向のアップリンク受信信号を用いて、前記算出されたパラメータの関数として、少なくとも一つのメトリックを算出する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリモート無線ヘッド。
  8. 前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの各々の前記空間方向のダウンリンク送信信号を用いて、前記算出されたパラメータの関数として、少なくとも一つのメトリックを算出する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリモート無線ヘッド。
  9. 前記メトリック計算器は、アナログビームフォーミングの前記各空間方向に対して前記スキャンされない期間と電力レベルを表現する少なくとも二つのパラメータを用いることにより、少なくとも一つのメトリックを算出する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリモート無線ヘッド。
  10. 前記ビーム成形器は、次の時間区間におけるアナログビームの方向との差に基づいて、各時間区間のアナログビームを生成する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のリモート無線ヘッド。
  11. 前記各空間方向に対して前記算出されたパラメータを保持する記憶部と、
    現在の空間方向のアナログビームフォーミングの信号を監視する監視部と、
    をさらに有する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のリモート無線ヘッド。
  12. 前記監視部は、デジタル信号またはアナログ信号を監視する請求項１１に記載のリモート無線ヘッド。
  13. 前記パラメータ計算器は、前記記憶部内に保持されている情報、および前記監視部により監視されている情報を用いることにより、少なくとも一つのパラメータを算出する、請求項１１または１２に記載のリモート無線ヘッド。
  14. 少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドで実行されるビームフォーミング方法であって、
    各々の前記空間方向に対してスキャンされない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出し、
    各々の前記空間方向に対して前記算出されたパラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出し、
    前記算出されたメトリックに応じて空間方向に向けたアナログビームを生成する、ビームフォーミング方法。
  15. 少なくとも一つのユーザ端末に対してサービスを提供する無線通信システムにおいて複数のアナログビームを生成する複数のアンテナを備えるリモート無線ヘッドに組み込まれた計算機に、
    各々の空間方向に対してスキャンされない期間を含む少なくとも一つのパラメータを算出し、
    各々の前記空間方向に対して前記算出されたパラメータに基づいて、少なくとも一つのメトリックを算出し、
    前記算出されたメトリックに応じて空間方向に向けられたアナログビームを生成する、
    ことを実行させるプログラムを格納した記憶媒体。
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